旁压试验确定(半岩半土状)风化层地基土参数

摘　要：由于半岩半土状风化层在钻探施工中，很难采取到原状试验样品进行室内岩土分析试验，因此采用原位测试取得的地基土参数手段非常重要，本文针对 “旁压试验”在地铁勘察中的应用，通过对广州地铁6#线、13#线的原位测试专题勘察试验数据进行研究分析，根据现场旁压试验成果计算半岩半土状风化层地基土参数方法，尤其是水平向参数：水平基床系数、静止侧压力系数等地铁设计所需要的重要设计参数，可供地铁等地下工程勘察及基础设计参考。

关键词：旁压试验； P-V曲线； 基床系数； 侧压力系数
旁压试验可谓是“标准化”程度不高的原位测试手段之一，故规范规程与手册并用，但权重依次递减。但它可提供岩土设计尤是地下管道围岩岩土设计所必不可少的水平方向参数，是一种必要的测试手段。根据现行尚不完善的规范，参考多部手册，加上以往长期测试获取的背景资料，本次专项原位测试工作，部分已突破现行的规范和常规工法，力图获得“标准”的岩土参数。
1.地层特性
红层强风化带(K)
　　呈层状分布。为含砾砂岩、泥质粉砂岩，强风化。紫红色，岩石风化强烈，原岩组织结构大部分破坏，矿物成分显著变化，岩芯风干易裂，半岩半土状或土夹碎块状，岩芯手可折断。重Ⅱ实测击数为43～56击，平均击数51击。层厚0.60～33.90m，平均厚度8.34m。
混合花岗岩强风化带(Pz1)
　　呈层状分布。呈褐黄色，岩石风化强烈，原岩组织结构大部分破坏，节理裂隙发育，岩芯呈半岩半土状及碎块状，遇水软化崩解。重Ⅱ实测击数为73击；修正后标贯实测击数为51.1击。层厚1.2～21m，平均厚度7.38m。
2.试验要点
　　开始试验前，严格按规范要求于现场进行弹性膜约束力校正和仪器综合变形校正。
　　规范当然给出标准的实验步骤，其控制性的是稳定时间和终止条件。
　　(1)每级压力稳定时间
　　规范的稳定时间为1min。测试中，并不拘泥规范的1min要求，而是视变形而定，当变形仍在发散时，则试验要继续下去，直至出现某一控制因素为止。
　　(2)试验终止条件
　　一般来说，试验压力过临塑压力Pf后即可终止该级压力的实验。但测试中，多时希图求得极限压力PL而继续加压，不管出不出现屈服极限压力PL，当测管水位下降将至36cm(有时超过)，并立即停止试验，以策安全。
3.试验改进
　　本次使用的是第三代预钻式低压(≤2.5MPa)旁压仪器。鉴于本次测试的对象主要为半岩半土状全、强风化层，为适配工况，对常规装置作了一些调整。
(1)液位仪
　　常规的测量系统是仪器自身配备的主、辅测管，为提高精度和效率，本次测试前，增配一台带数显液位仪的地面箱，精度为1/10mm，可进行夜间作业，由于是数显，完全可避免测管的误读。
　　(2)多管探头
　　现行使用的低压旁压探头，基本是三腔三管的，我院在多年的测试实践中，发现三腔四管式的探头更适合于坚硬土层和岩层中，为此，本次测试中采用三腔四管的探头。
4.原位测试成果分析
　　2.1  绘制P-V曲线
　　绘制旁压曲线前，先要进行压力校正和水位下降值校正。
　　(1)压力校正(校正曲线见图1)
　　P=Pm+Pw-Pi                                    (5-9)
　　式中：P：校正后压力，kPa；Pm：压力表读数，kPa；Pw：静水压力，kPa；
　　Pi：弹性膜约束力，在弹性膜约束力校正曲线上相应位置读取，kPa。
　　而静水压力取值为：
　　无地下水时，Pw=(h0+z)γw                        (5-10)
　　有地下水时，Pw=(h0+hw)γw                        (5-11)
　　式中，
　　h0：测管水面离孔口的高度，m；z：地面至旁压器中腔中点的距离，m；
　　hw：地下水位离孔口的高度，m；γw：水的密度，t/m3，统一取1。
　　(2)水位下降值的校正(校正曲线见图2)
S=Sm-(Pm+Pw)·α
式中：S：校正后的测管水位下降值，m；Sm：实测水位下降值，m；α：仪器综合变形校正系数，m3/kN。
取得校正后的压力值P和水位下降值S(或转换成的测管体积变化值V)，就可以绘制P-V曲线。

　　图1  弹性膜约束力校正曲线            图2  旁压器综合变形校正曲线
　　2.2  确定界限压力值
基于以往的测试经验，尽管事前已清楚地意识到成孔质量的重要，但由于本次试验对象是半岩半土状含砾石的红层及混合花岗岩风化层，为非均质体，所以测得P-V(S)曲线少部分不尽人意，为此，为还原各特征值，使用二次样条函数处理，力图P-V曲线充分贴近工程实际，能容易截取各特征值。截取的初始压力P0、比例界限压力Pf和极限(屈服)压力PL(见图3)。                             
　　图3  旁压试验P-V曲线图
　　界限压力值确定的方法：
　　P0：有两种界定方法：
P-V曲线上直线段起点对应的P；
P-V曲线上直线段的延长线交V轴于V0，过V0作P轴平行线，交于P-V曲线点所对应的压力P。
Pf：P-V曲线上直线段终点对应的压力。
PL：同样有两种方法界定：
作平行于V轴的P-V曲线的渐近线，交P轴得PL值。
在P-V曲线上取V=Vc+2V0对应的压力，其中Vc为旁压器测量腔固有的体积，本次用的Vc=491cm3。
　　成果应用
　　按现行的规范、参考相关手册，可求算出如下岩土工程设计参数有地基承载力特征值、基床系数、侧压力系数等、旁压模量、变形模量、旁压剪切模量、不排水抗剪强度。本次仅介绍前三个参数的求法：
　　(1)地基承载力的特征值
fak=Pf-P0……(3-1) 或：fak=(PL-P0)/Fs ……(3-2)
式中，fak：地基土承载力的特征值(kPa)；Fs：安全系数，取2~3。
(2)基床系数(水平方向，Kx)
　　目前尚无国标或行业标准明确给出水平基床数求算公式。但根据基床系数的定义，设定地基土层为均质体，且有足够的深度时，垂直基床系数与水平基床系数是可以等值的，起码是等效的，可以等代。国内地铁的勘察中，普遍得出垂直基床系数(Kv)/水平基床系数(Kx)≈1.1~1.5的背景值。有国内单位提出通式：
　　K=  ……(3-1) 则有：Kx  ……(3-2)
式中：K：试验基床系数(MPa/m)；Kx：水平基床系数，MPa/m；EM：旁压模量，MPa；
　　ν：泊松比，各家对v取值不一。本工程取：全风化岩和砾砂碎石土v=0.25，强风化岩v=0.20；α：地区岩性修正系数，取80~120。
　　据JGJ69-1990《PY型预钻式旁压试验规程》(5)
　　Kx=Pf/Sf……………………(3-3)
　　式中，Kx：水平基床系数；Pf：比例界限压力kPa；Sf：对应Pf的变形量。
　(3)侧压力系数(K0)
　　K0=P0/γz ………………(3-4)
　　式中，K0：岩土体侧压力系数

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；P0：初始压力, kPa；γ：土体的加重容重，kN/m3；
　　z：旁压器中心点至地面土体的高度，m。
　　据上列式(3-1)至(3-4)计算求得岩土设计参数统计见下表2、3。旁压试验成果图见下图4
　　表2    旁压试验基床系数(水平方向Kx)统计表(按公式Kx=Pf/Sf计算)

　　表3    旁压试验侧压力系数(K0)统计表(按公式K0＝P0/γz计算)

　　图4    旁压试验成果图
    结论：在预钻式旁压试验实践中要想获得理想的“标准型”旁压P-V曲线是极为困难的，但试验过程中时刻保持清醒的意识，认真对待试验过程，经过科学合理的数据校正，仍可获得可说是准标准型的P-V曲线，足可以获得置信度高的参数值。在实际工程应用中，可配合适宜的其它原位测试工作，取长补短，相互补充，以获取更贴近工程实际的设计所用的各项岩土参数。

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